鐘 怡
(杭州市第一人民醫(yī)院城北院區(qū)(杭州市老年病醫(yī)院),杭州 310000)
睡眠呼吸暫停綜合征(SAS)指每晚7 h的睡眠中,每次發(fā)生呼吸暫停大于10 s,呼吸暫停反復(fù)發(fā)作大于30次,或者睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)(AHI)大于5次。一般分為三型:阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征OSAS、中樞性SAS和混和型SAS,以O(shè)SAS最常見[1]。
SAS作為一種近年來才被重視的疾病,經(jīng)各國的流行病學(xué)調(diào)查,都表明了睡眠呼吸暫停綜合征在人群中發(fā)病率比較高。其中最為常見的阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征發(fā)病原因有很多種,與家族遺傳、肥胖、性別、生活習(xí)慣、內(nèi)分泌與代謝性疾病等有密切關(guān)系[2]。
SAS患者睡眠時(shí)頻發(fā)睡眠暫停是由于呼吸道的阻塞、不全阻塞周期性反復(fù)出現(xiàn),導(dǎo)致局部炎癥、呼吸器官的損傷。這些病理生理變化可能引發(fā)慢性阻塞性肺疾病、支氣管炎、肺心病、呼吸衰竭和夜間哮喘等[3]。
由此可見,睡眠呼吸暫停綜合征的危險(xiǎn)因素非常多,所以當(dāng)夜晚患者發(fā)生呼吸暫停時(shí),醫(yī)護(hù)人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取措施,否則將造成不堪設(shè)想的后果。因此,作者嘗試制作出一種便攜式,成本便宜的睡眠呼吸暫停檢測儀,以方便患者發(fā)病時(shí)能得到及時(shí)搶救。
太原理工大學(xué)的白鳳娥等[4]采用了MSP430F149單片機(jī)作為控制核心,設(shè)計(jì)了一種體積小、低耗能、成本低的睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀,并且是利用壓差型硅壓阻式傳感器26PCBFA6D來采集呼吸信號的。國外學(xué)者Giovanna等[5]設(shè)計(jì)出了一種十分廉價(jià)的便攜式的睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀,利用心電圖可穿戴傳感器收集單通道ECG(electrocardiogram,心電圖)數(shù)據(jù)并發(fā)送到移動設(shè)備,將該數(shù)據(jù)進(jìn)行HRV(Heart rate variability,心率變異性)分析,通過離線的微分進(jìn)化算法,進(jìn)行HRV-related參數(shù)計(jì)算,從而達(dá)到檢測睡眠呼吸的作用。2015年中國醫(yī)科大學(xué)的于璐等[6]嘗試著利用呼吸音來監(jiān)測呼吸,開拓了一種新的呼吸信號檢測方法。2017年,R.E.Rolón等[7]學(xué)者還指出通過脈搏血氧測量呼吸信號是非常有價(jià)值的,可以用于估算低通氣指數(shù)。人的胸腔好似一段容積導(dǎo)體,當(dāng)人在呼吸的時(shí)候腹腔會有周期性的形變,而肺內(nèi)氣體的容量與呼吸阻抗有關(guān),人呼吸時(shí)胸腔的輪廓在變,相應(yīng)地,呼吸阻抗也不斷變化,所以郭群恩等[8]研究出了利用阻抗法(包括恒流法、恒壓法和電橋法)的一種檢測方法。
另外,除了檢測呼吸信號的方式,有學(xué)者也對信號的傳輸方式作了研究。第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系和藥學(xué)系的申廣浩等[9]共同研究出了一個(gè)無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng),其包括了社區(qū)監(jiān)護(hù)終端和家庭數(shù)據(jù)采集端。家庭數(shù)據(jù)采集端是將經(jīng)過調(diào)制后的呼吸信號通過ZigBee無線發(fā)送單元以射頻的方式來給到接收單元。社區(qū)監(jiān)護(hù)終端也是基于ZigBee的方式,CC243接收到數(shù)據(jù)信號后MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232的標(biāo)準(zhǔn)電平,之后再通過RS-232向PC端輸入數(shù)據(jù)。運(yùn)用近程無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將呼吸信號進(jìn)行無線傳播。
本文是利用呼吸音檢測法(即音頻檢測法)采集呼吸信號的。呼吸音是人呼吸時(shí),氣流通過呼吸道和肺泡,產(chǎn)生湍流引起振動,發(fā)出聲響,通過肺組織及胸壁傳至體表的聲音,因此,可以把音頻傳感器放置于人體的鼻腔或口腔內(nèi),可拾取氣流直接沖擊傳感器的聲音信號,或者放在胸前氣管處即可拾取氣管音信號,并且所得到的信號與氣流急緩有關(guān)。這種方法簡單又安全。
實(shí)驗(yàn)通過駐極體話筒采集到呼吸信號,將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?,將該電壓信號通過三極管放大,輸入到LM393電壓比較器進(jìn)行波形處理,處理成方波波形,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī),作為1個(gè)中央處理系統(tǒng)MCU,將由該信號判斷是否發(fā)生了睡眠呼吸暫停,若發(fā)生了超過10 s的呼吸暫停,則進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)將信號以方波的形式在TFT彩屏上顯示。此外,用電源給整個(gè)系統(tǒng)供電。系統(tǒng)整體流程圖如圖1所示。本系統(tǒng)涉及多個(gè)模塊,信號采集與預(yù)處理、報(bào)警單元、顯示部分等等。
圖1 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)總流程
2.2.1 控制系統(tǒng)
在考慮了性能和成本等各方面的因素后,采用了51系列的STC12C5A60S2單片機(jī),這款單片機(jī)和8051的指令、管腳完全兼容,而且片內(nèi)存在的大容量程序存儲器是FLASH工藝的,其低功耗、高速和抗干擾能力超強(qiáng),并且集成度高,被廣泛應(yīng)用。
2.2.2 音頻信號采集
呼吸信號由音頻傳感器駐極體采集,由其作為1個(gè)電壓信號輸入系統(tǒng)。此次選用4015帶線駐極體咪頭,其體積小,可以安置在鼻孔中。但駐極體音頻采集過后的輸出電壓十分微弱,僅為毫伏級,需放大該微弱信號。信號放大電路的原理圖如圖2所示。由于對放大倍數(shù)及精度要求不高,所以采用了一級8050NPN三極管Q2,由其作為此電路中1個(gè)放大電路的主要部分。其中C4是去耦電容,其把輸出信號的干擾作為濾除對象。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方,用來消除自激,使放大器穩(wěn)定工作。去耦電容主要去除高頻如RF信號的干擾,C3起到的作用也是一樣的。此外,C2作為1個(gè)耦合電容用于隔離直流信號。
圖2 信號輸入單片機(jī)原理圖
2.2.3 信號波形處理
設(shè)計(jì)使用LM393芯片作為電壓比較器將輸出信號波形處理成同頻率的方波,其內(nèi)部是一個(gè)雙電壓比較器。當(dāng)信號經(jīng)過放大濾波電路之后,直接連接LM393芯片,由于LM393是集電極開路,所以在輸出端加了上拉電阻,使其能夠輸出高電平。當(dāng)無呼吸作用時(shí),呼吸信號電壓Uo小于參考電壓Ur,輸出高電平。進(jìn)行呼吸交替觸發(fā)時(shí),出現(xiàn)下降沿,呼吸信號電壓Uo大于參考電壓Ur,輸出低電平。低電平時(shí)液晶屏上不顯示方波,是一條直線,有呼吸作用時(shí),代表呼吸信號觸發(fā)高電平,液晶屏上顯示方波波形。信號從LM393芯片出來后,進(jìn)入ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片上的DO端和DI端并聯(lián)在1根數(shù)據(jù)線上使用,因?yàn)镈I和DO作為數(shù)據(jù)端口在通信時(shí)并未同時(shí)有效并且和單片機(jī)的借口是雙向的,所以可以將其連接。這樣就完成了整個(gè)信號輸入的過程。
2.2.4 屏幕液晶顯示
液晶的顯示用TFT彩屏,分辨率為240×320像素,并且操作簡單,其每一個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動的,這樣不僅提高了顯示屏的響應(yīng)速度,同時(shí)可以精確控制顯示色階,所以TFT液晶的色彩更逼真。TFT液晶模塊可以顯示數(shù)字、中英文字符和圖案。彩色圖案分辨率較高。此次選用的TFT彩屏的型號是TJC3224T022_011N,只有4個(gè)引腳,只占用了單片機(jī)的2個(gè)I/O口,分別連接單片機(jī)的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)引腳,RXD接收數(shù)據(jù)引腳。其只有2.2寸,與單片機(jī)連接,非常便于攜帶??梢栽赨SART HMI[10]上位軟件上燒寫固件,之后再對應(yīng)的輸入串口命令,就能在TFT彩屏上顯示方波波形。
2.2.5 報(bào)警單元設(shè)計(jì)
報(bào)警單元的功能是當(dāng)病人發(fā)生了呼吸暫停時(shí),使患者自己能夠從睡眠中驚醒,或者患者周圍的人能夠通過該報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)病人的情況,以防患者出現(xiàn)意外。報(bào)警電路原理如圖3所示,其中8550PNP三極管Q1充當(dāng)1個(gè)開關(guān)電路,圖3中Q1的1腳和2腳相當(dāng)于1個(gè)二極管,2腳為低電平時(shí),1腳和3腳直接導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)開關(guān)的作用。并且,電路采用了+5 V的蜂鳴器元件和紅色的LED燈元件。蜂鳴器發(fā)出的聲音刺耳且響亮,起到警示作用,而紅色LED燈亮代表正在報(bào)警的狀態(tài)。
圖3 報(bào)警電路原理圖
2.2.6 電源模塊
計(jì)算機(jī)的USB接口的輸出電壓都約為5 V[11],而這次實(shí)驗(yàn)所有芯片的供電電壓都可以是5 V,所以,利用USB轉(zhuǎn)DC電源線和DC座給整個(gè)系統(tǒng)供電。
2.3.1 主程序流程
主程序流程圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)的總體需求來設(shè)計(jì),如圖4所示,先檢測是否有呼吸信號輸入,檢測到的話直接向串口發(fā)送高波形,并且不作報(bào)警;沒有檢測到的話先直接向串口發(fā)送低波形,再繼續(xù)判斷沒有檢測到呼吸的時(shí)間是否超過了10 s,若沒有到達(dá)10 s則繼續(xù)檢測,若超過則進(jìn)行呼吸暫停報(bào)警。
圖4 主程序流程圖
2.3.2 顯示模塊
在USART HMI上位軟件上設(shè)計(jì)了TFT串口彩屏的界面,HMI串口的界面設(shè)計(jì)非常簡單,其工具箱中自帶有曲線/波形的控件工具,所以直接利用該控件即可。曲線/波形控件具有從左向右的平移功能。先對串口屏進(jìn)行初始化,并定義字符串,拉低曲線。屏幕的整個(gè)橫向像素是0~240,正在呼吸時(shí),即高電平觸發(fā),向串口屏發(fā)送字符串,在液晶屏中上(像素的200處)的位置顯示“高波形”,沒有檢測到呼吸時(shí),也同樣向串口屏發(fā)送字符串,在液晶屏中下(像素的100處)位置處顯示“低波形”。
2.3.3 AD轉(zhuǎn)換流程
使能芯片作用,產(chǎn)生時(shí)鐘信號,經(jīng)過通道選擇后,讀取值,再經(jīng)過比較后,輸出1個(gè)數(shù)字信號(圖5)。
圖5 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖
本文針對睡眠呼吸暫停檢測儀,對儀器的原理學(xué)習(xí)、外觀設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)施進(jìn)行了研究探索,主要實(shí)現(xiàn)了呼吸的方波波形的顯示,同時(shí)還有一項(xiàng)在人發(fā)生睡眠呼吸暫停時(shí)報(bào)警的功能。這使測量更加方便,簡潔。本儀器是以單片機(jī)為核心的,既降低了成本,又使用方便,而且測量準(zhǔn)確,重復(fù)性好,具有較好的使用前景。
本研究雖然基本實(shí)現(xiàn)了能夠在睡眠中檢測到呼吸信號并進(jìn)行監(jiān)護(hù),但是還是存在一些問題。使用的呼吸信號檢測方法是音頻檢測法(即駐極體話筒),雖然其靈敏度高并且能夠檢測到呼吸信號,但很容易受到外界聲音的干擾,盡管在安靜的夜晚中可以很好地進(jìn)行檢測,但若在一個(gè)嘈雜的環(huán)境中要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)還是有一定困難的。另外,本次實(shí)驗(yàn)是將傳感器放置在人的鼻孔中,對于一部分受試者來說可能會有所不適應(yīng),會感到難受,導(dǎo)致無法入睡,阻礙了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,所以這也是以后需要克服的困難。并且要使儀器達(dá)到普遍適用的要求,還需要成千上萬的受試者參與實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證儀器的適用性,所以儀器的普遍性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。